[发明专利]一种提高生物质衍生碳材料本征性能及再生利用的方法

说明书

本发明公开了一种提高生物质衍生碳材料本征性能及再生利用的方法，属于能源材料技术领域。将生物质材料水洗、烘干后，磨成粉末，将粉末、锌盐与水混合后烘至胶状，在惰性气氛中热解处理，将所得碳粉浸入酸性溶液中浸泡，并用去离子水洗涤至中性，将得到碳粉与去离子水混合后进行超声处理后离心干燥即可；将所得的碳材料制成电极进行电化学性能评价后，将碳材料从支撑电极上取下来，再放入超声反应器中进行超声处理，离心干燥后完成再生。本发明提供的方法操作简便、成本低廉、实验周期短、可控性强、电化学性能优良、重现性好，表现出广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种提高生物质衍生碳材料本征性能及再生利用的方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，对能源的需求日益增加，而大量使用煤、石油、天然气等传统化石能源，一方面造成环境不可逆转的变化，另一方面过度使用易导致严重的能源危机。面对上述难题，一方面在节约能源同时需提高其利用效率，另一方面促使科技工作者积极地研发绿色环保的可再生能源技术，如燃料电池、电解水、金属空气电池、超级电容器、太阳能、风能等。

在燃料电池、金属-空气电池、电解水等能量转换和储能技术领域中，氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)是极其重要的电极反应。然而，氧还原反应的动力学过程一般都比较缓慢，需要使用大量的贵金属催化剂如Pt或Ir等来提高其反应活性，不仅造成催化剂成本增大，严重限制其大规模使用，而且贵金属催化剂易被毒化导致失活。因此，开发低成本、高活性、高稳定性的新型催化剂材料从而减少对铂等贵金属依赖是目前亟需解决的问题。

与低贵金属、非贵金属的催化剂相比，无金属的多孔碳材料由于具有诸如导电性好、稳定性高、孔隙率和形貌及功能性可调等优异性能表现出较强的竞争优势，但原生态碳对氧和ORR中间体的吸附/活化性能较差，为提高原生态碳的ORR活性，必须对其进行修饰。2009年，Dai等采用化学气相沉积法制备了氮掺杂碳纳米管阵列，在碱性介质中，该催化剂无论是ORR电子转移数、极限电流和起始电位等均可与商业化的Pt/C相媲美。众多研究结果均表明，调控sp2碳能显著提高其ORR活性，目前常采用的有非金属异质元素掺杂、物理分子间电荷转移如聚合物功能化的石墨烯和制造结构缺陷三种方式。由于电负性、原子大小和结合态的不同，异质元素掺杂即可以细化自旋和电荷分布、提高亲水/疏水性、调节ORR中间体的吸收能力，又与不同长度的孔道相结合，极大地促进反应过程中的传质，这些协同作用能显著提高sp2碳的ORR催化性能，因而，在三种调控方式中，非金属异质元素掺杂受到更广泛的关注。在众多杂原子掺杂碳材料中，尽管具有诱人纳米结构和功能化后的碳纳米管、碳纳米笼、石墨烯等表现出良好的ORR催化性能，而上述碳纳米材料的生产严重依赖化石燃料的前体(如CH4、苯酚和沥青)和苛刻或能源密集型的合成条件(如电弧放电、化学气相沉积和激光烧蚀等，依然无法避免对环境的危害。与之相比，生物质碳材料因具有易加工、成本低、杂原子丰富及独特的孔道结构等优点而备受关注。生物质通常可分类为植物(木质纤维素)和动物，植物生物质通过光合作用合成，包括树木、草和树叶等。动物生物质多以废物的形式存在，如羽毛、贝壳、角、血液或人类的废物等，主要含有蛋白质和矿物质。根据生物质碳材料的来源不同，大致可概括为来自碳水化合物及多糖的纳米生物质碳(包括葡萄糖和纤维素衍生物、淀粉、甲壳素/壳聚糖、木质素)、木质纤维素类生物质碳(包括大豆、椰子壳、水果皮、茄子等)和动物基及其它的生物质碳材料(如羽毛、丝绸、毛发、骨骼、血液、鸡蛋、污泥、皮革等)。这些多孔碳的ORR活性与活性中心的数量密切相关，而活性中心的数量与杂原子的种类和含量有关，因而提高碳材料ORR活性的主要策略是:(1)制备具有大比表面积和丰富多孔结构的纳米碳材料；(2)掺杂杂原子产生更多的活性位；(3)增加石墨化程度提高其电导率。N是最常见的杂原子，大多数生物质都富含该元素。需要指出的是，在碳化过程中，生物质中的杂原子很容易丢失。从所报道的生物质衍生碳材料的衍射图像看，杂原子似乎是均匀分布的，然而它们的杂原子含量都比较低，降低了其ORR性能。解决这个问题的一个常用方法是在这些碳材料中引入额外的杂原子，该领域的研究主要集中在向这些碳材料中引入额外的杂原子以提高其ORR性能。相对额外引入杂原子的方式，如何提高其固有的表面杂原子含量，充分发挥其内在的ORR优势，并增加其再利用性能具有更重要意义。